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5G及未来无线通信的物理层安全设计

1. 引言与动机

如今，随着人们对移动性和无处不在的连接需求不断增加，无线通信服务已成为我们生活中不可或缺的一部分。这些服务广泛应用于民用和军事领域，大量数据通过无线介质进行传输。然而，由于无线通信的广播特性，其极易受到非法节点的窃听、欺骗和干扰攻击。

1.1 无线通信面临的安全威胁

• 窃听：非法接收者试图截取合法用户之间的通信内容，侵犯了信息的机密性和隐私性。例如，窃听者可能试图获取用户的停车相关信息。
• 干扰：非法节点故意制造干扰，破坏合法节点之间的通信。如干扰者可能会中断车辆之间的通信，导致车辆碰撞。
• 欺骗：欺骗者控制合法用户之间的通信信道，替换、修改和拦截传输的消息。在车辆通信中，欺骗攻击可能导致车辆相互碰撞。

1.2 传统物理层设计的不足

在现有的无线通信系统和标准中，物理层（PHY）传输技术和方案主要关注两个关键设计要求：提高数据速率（更高的容量和频谱效率）和增强可靠性（更低的错误率），同时降低延迟。安全问题通常被留给上层处理，这种传统设计模式导致了两个问题：
-附加安全：安全成为不同开放系统互连层的额外开销。
-安全问题单一化：将安全需求视为计算机工程问题，而不是计算机与通信的联合问题。

1.3 多层安全方法的缺陷

为确保接收器的真实性和数据的保密性